Устройство конвектора и принцип его действия

В условиях сурового российского климата зимой может быть холодно даже в хорошо утепленных квартирах и домах. А если центральное отопление дает сбои, то жилье лишается комфорта. Появляется необходимость в другом источнике тепла. И выбором современного человека становится электрический конвектор, принцип работы которого мы рассмотрим в этой статье.

Устройство и принцип действия электрического конвектора

Слово «конвектор» происходит от названия одного из видов теплопередачи – конвекция. Его суть заключается в непрерывном перемещении воздушных масс из-за неравномерного нагрева различных слоев. Плотность газов зависит от температуры: чем теплее воздух, тем он легче. А по закону Архимеда все менее плотные тела в жидкости или газе всплывают наверх. Поэтому теплый воздух всегда под потолком, а холодный – над полом.

Вы скажете: причем тут конвектор, как работает прибор? Устройство снабжено нагревательным элементом. А если специально подогревать воздух снизу, то он становится теплым и перемещается наверх. На его место приходит порция холодного газа, который тоже нагревается и всплывает под потолок. И так происходит до тех пор, пока весь воздух в помещении не станет примерно одинаковой температуры.

Устройство и электрическая схема

В устройство конвектора электрического входят:

• Металлический корпус;
• Нагревательные элементы;
• Датчик температуры;
• Терморегулятор;
• Панель управления (включение и выключение, регулировка температуры);
• Датчик безопасности (отключение автоматическое при перегреве);
• Датчик опрокидывания (отключение автоматическое при падении прибора).

Внимание! Не все элементы обязательно должны входить в конструкцию: на рисунке выше отсутствует датчик опрокидывания.

Нагреватель и датчики с терморегулятором заключаются в корпус из металла, а панель управления выносится на его поверхность сверху или сзади, иногда сбоку. Нижняя часть открыта для свободного поступления холодного воздуха внутрь. В верхней части корпуса видно решетку, шторки которой направляют теплые массы вверх.

Выше приведена электрическая схема конвектора. В ней указаны основные элементы:

• Шнур с вилкой на конце включается в сеть 220В и обеспечивает прибору питание;
• С помощью клавишного выключателя можно включить или выключить конвектор, не вынимая вилки из розетки;
• Панель управления (контактная) для установки температуры, до которой должен нагреться воздух;
• Электронагреватели – элементы, выполненные из металла с большим сопротивлением. Благодаря этому они обеспечивают нагрев при прохождении по ним электрического тока;
• Термовыключатель, или датчик безопасности, размыкает цепь, если температура стала выше допустимой;
• Терморегулятор постоянно сравнивает значение установленной температуры с реальной. Если реальная больше указанной, то цепь размыкается, и нагрев прекращается. Если реальная меньше, то цепь замыкается, воздух снова греется.

Рассмотрим подробнее, как регулируется температура, и почему конвектор автоматически отключается при перегреве и опрокидывании.

Как регулируется температура

Установить желаемую температуру воздуха можно с помощью панели управления, повернув рукоятку. Что же происходит с конвектором внутри во время этого поворота?

Чтобы происходил нагрев, цепь должна быть замкнута. Терморегулятор должен размыкать ее, если температура стала слишком высокой. Но при охлаждении он должен автоматически замкнуть ее снова, чтобы воздух продолжал нагреваться. Для этого терморегулятор оснащают подвижным элементом. Поворачивая ручку, мы меняем угол наклона этого элемента.

Датчик температуры имеет пластинку, выполненную из материала с высоким температурным расширением. Пока воздух холодный, она контактирует с подвижным элементом терморегулятора. Пластинка меняет свое положение в зависимости от степени нагрева воздуха. Чем жарче, тем сильнее она откланяется. И отклоняться она будет до тех пор, пока не разомкнет цепь. Причем это произойдет быстрее, если установить низкую температуру.

При разомкнутой цепи нагрев не идет, поэтому воздух охлаждается. Пластинка на термодатчике тоже охлаждается и возвращается в исходное положение – к элементу терморегулятора, угол наклона которого задает пользователь. Цепь снова замыкается, и воздух греется.

Отключение при перегреве

Если терморегулятор или термодатчик вышел из строя, нагревание будет беспрерывное. При этом температура поднимется до такого уровня, что появляется риск возгорания. Для исключения таких случаев в электрическую цепь конвектора включают размыкающий ключ, изготовленный из материала с высоким температурным расширением. При достижении определенного значения температуры, ключ изгибается, размыкая цепь. Поэтому конвекторы – безопасные электрические обогреватели.

Отключение при опрокидывании

Мобильные конвекторы легко опрокинуть. Это опасно, потому что корпус нагрет до температуры 50-60 градусов: могут испортиться легкоплавкие материалы на полу. Чтобы при падении прибора прекратился нагрев, цепь должна разомкнуться. Это возможно благодаря ключу, работающему по принципу маятника.

На вертикальном участке цепи расположена пластинка, которая свободно вращается вокруг своей оси. При вертикально стоящем конвекторе пластинка соединяет верхнюю часть цепи с нижней. Но стоит прибору упасть, электроцепь примет горизонтальное положение. При этом пластинка, повернувшись под действием силы тяжести, все равно будет направлена вниз. Образуется зазор, и ток перестает поступать к нагревательному элементу.

Совет! Поднимите конвектор и поставьте вертикально. Он автоматически заработает, потому что пластинка снова повернется, замкнув цепь.

Отличие от радиатора

Чтобы сделать выбор между двумя видами обогревателей нужно знать, чем отличается конвектор от радиатора. Устройство и принцип работы первого прибора мы уже знаем. Теперь изучим радиатор.

Конструкция и принцип действия

Радиатор – полая металлическая конструкция, заполненная теплоносителем. В электрических моделях это минеральное масло, в центральных системах отопления – вода. Но нас интересуют только масляные (электрические) радиаторы.

Внутри полости расположен нагревательный элемент. Сначала он нагревается сам, потом оно передает тепло маслу, которое делится тепловой энергией с корпусом. Только потом воздух, касаясь нагретого металла, становится теплым, и он всплывает. Тут тоже речь идет о конвекции, но путь нагрева слишком долгий и затратный.

Преимущества конвекторов перед радиаторами

Технические характеристики – это то, чем отличается конвектор от обогревателя радиаторного типа еще кроме принципа действия. Сравним их:

1. Расходы электроэнергии. Конвекторы экономичнее, поскольку включаются только на время, чтобы подогреть воздух до нужного значения. Затем отключаются;
2. Масса. Масляные радиаторы могут весить до 15-20 кг, а самые массивные конвекторы – не более 10 кг;
3. Температура корпуса. У конвекторов – не более 60 градусов, а у радиаторов она равна температуре нагретого масла. Это может быть 80, 90 и выше (легко получить ожог);
4. Скорость обогрева. Пока у радиатора нагреется внутренний элемент, потом масло, потом корпус, потом воздух, конвектор уже прогреет почти всю комнату (газ контактирует с нагревателем без посредников).

Единственное, чем радиатор лучше конвектора, — это стоимость. Если для обогрева комнаты площадью в 15 квадратов масляный обогреватель стоит около 1000, то простой конвекционный камин обойдется в 2000 рублей. Конечно цена может варьироваться в зависимости от модели прибора, важно на этапе покупки понимать по каким критериям выбирать конвектор для дома . Но разница в цене окупается долговечностью — конвекторы служат более 10 лет.

Как работает электрический конвектор

Для отопления жилых и нежилых помещений используется масса различных видов обогревателей. Но наиболее простыми, эффективными и не сложными в монтаже вариантами являются электрические конвекторы. Принцип их работы основан на конвекции – естественном движении воздушных масс (нагретый воздух поднимается, охлаждается и опускается вниз).

Как устроен конвектор

Устройство конвектора довольно простое. Общая схема прибора показана на рисунке ниже. Рассмотрим основные детали более подробно.

Нагревательный элемент

В электрических обогревателях конвективного типа устанавливают нагреватели 3-х типов.

1. Игольчатые состоят из корпуса, на котором монтируются петли из нихрома (сплав никеля и хрома) в виде иголок. Петли располагаются с двух сторон и имеют свойство быстро разогреваться и остывать. За счет этого удобно регулировать требуемую температуру в помещении. Еще одним достоинством агрегатов с игольчатым нагревателем является их невысокая цена. Но у этих нагревателей есть и недостатки: игольчатые элементы нельзя использовать в помещениях с повышенной влажностью, и они могут пережигать кислород, а также высушивать воздух.
   
2. ТЭН (трубчатый электрический нагреватель) представляет собой полую трубку с расположенной в ней нихромовой спиралью. Область между корпусом и спиралью заполняется диэлектриком. Для лучшей теплоотдачи на корпусе ТЭН устанавливают ребра. Достоинство ТЭН в том, что у него корпус герметично запаян, поэтому устройства с таким нагревателем можно использовать в сырых помещениях. Недостатками нагревателя можно назвать: низкий КПД, длительное время разогрева для выхода в рабочий режим, работающий ТЭН издает несильное потрескивание.
   
3. Монолитные состоят из ребристого корпуса с впаянной в него нитью из нихрома. Такие нагреватели имеют максимальную теплоотдачу, бесшумны, все части корпуса прогреваются равномерно. Устройства с монолитными нагревателями самые дорогие, в сравнении с вышеописанными, и считаются лучшими. Подробнее об особенностях каждого типа читайте в статье типы нагревательных элементов в конвекторах.
   

Блок управления или термостат

Управление отопительным агрегатом происходит при помощи механического или электронного термостата:

1. 1. Более дешевые модели агрегатов имеют механический термостат, который при достижении определенной температуры нагревателя разрывает электрическую цепь. Когда аппарат остынет, цепь замыкается снова, и работа калорифера продолжается. Недостатком является то, что с таким регулятором не получается поддерживать нужную температуру в комнате, так как срабатывание термостата происходит от нагрева биметаллической пластины, и температура воздуха не берется во внимание.
      
   2. При электронном управлении взаимодействуют несколько датчиков. Принцип действия их заключается в отслеживании нагрева самого агрегата, а также температуры окружающего воздуха. После обработки данных микропроцессором, корректируется работа калорифера. Режимы работы можно задавать с панели, расположенной на корпусе, либо с дистанционного пульта (если он предусмотрен). Существуют модели аппаратов с программируемыми модулями. С их помощью можно устанавливать программу отопления помещения на неделю. Это удобно, например, если в будние дни с 8:00 до 17:00 дома никого нет. Поэтому на приборе устанавливается поддерживающая температура, а к приходу домочадцев устройство включается на полную мощность и быстро прогревает комнату до нужных показателей.
      

Сверху аппарат закрыт корпусом с отверстиями для забора воздуха. Они размещаются в нижней и в верхней части.

Принцип работы электрического конвектора

Итак, как работает конвектор? Принцип работы любого вида конвектора, газового или электрического, основан на использовании свойства воздуха при нагревании подниматься, а при охлаждении опускаться. Поскольку в аппарате встроен нагревательный элемент, то при его нагревании, воздух начинает циркулировать, проходя через устройство снизу вверх. Нагретый воздух поднимается под потолок, отдает тепловую энергию комнате, охлаждается и опускается вниз. Таким образом возникает циркуляция воздушных масс в помещении.

При достижении определенной температуры в комнате срабатывает термостат или температурный датчик (зависит от вида управления – механического или электронного), которые отключают калорифер. Через какое-то время, после остывания контактной пластины (в случае с механическим управлением) контакты замыкаются, и нагрев продолжается. При электронном управляющем модуле температурный датчик сработает и включит агрегат, только когда температура воздуха в помещении достигнет показателей ниже тех, что были запрограммированы.

Расчет мощности электрообогревателя

Существует два способа, как рассчитать мощность аппарата.

По площади помещения

Следует учитывать, что расчет мощности агрегата отопления по площади дает приблизительные показатели и требует поправок. Но он отличается простотой и может применяться для быстрого, приблизительного расчета. Итак, исходя из установленных норм, для комнаты, имеющей одну дверь, одно окно и высоту стен 2,5 метра, требуется мощность 0,1 кВт/ч на 1 м 2 площади.

Например, если взять для расчета комнату с площадью 10 м 2 , то требуемая мощность агрегата будет равна 10 * 0,1 = 1 кВт. Но стоит учитывать некоторые факторы. В случае угловой комнаты, коэффициент поправки будет 1,1. На это число следует умножать найденный результат. При условии, что комната имеет хорошую теплоизоляцию, в ней установлены пластиковые окна (энергосберегающие), то результат вычисления следует умножить на 0,8.

По объему

Чтобы рассчитать мощность конвектора отопления по объему, требуется:

1. 1. • вычислить объем комнаты (ширина*длина*высота);
      • найденное число необходимо умножить на 0,04 (именно 0,04 кВт тепла нужно для того, чтобы прогреть 1 м 3 помещения);
      • применяя коэффициенты, произвести уточнение результата.

Вследствие того, что при расчете используется и высота комнаты, расчет мощности будет более точным. Например, если объем комнаты 30 м 3 (площадь 10 м 2 , высота потолка 3 м), то 30 * 0,04 = 1,2 кВт. Получается, что для данного помещения потребуется нагреватель приблизительно с мощностью чуть выше найденной.

Для более точного результата, мощность следует высчитывать, с применением коэффициента. Если в помещении имеется не одно окно, то на каждое следующее, к результату добавляется 10%. Этот показатель может быть уменьшен, если произведена хорошая теплоизоляция стен (пола в частном доме).

Как дополнительного источника отопления

Если основного отопления при сильных морозах не достаточно, то часто электрический конвектор используют в качестве дополнительного источника тепловой энергии. Расчет, в таком случае производится так:

1. 1. • при расчете показателя по площади, на каждый квадратный метр требуется 30-50 Вт;
      • при расчете по объему, на 1 м 3 требуется 0,015-0,02 кВт.

Достоинства и недостатки электрических конвекторов

1. Простая установка и использование. Достаточно повесить на стену или установить на ножки, подключить шнур к розетке, и прибор готов к эксплуатации.
2. Срок службы рассчитан на срок более 15 лет. Обслуживания агрегат не требует, кроме периодического убирания пыли.
3. Стоимость аппарата относительно невысока.
4. Не требуется контроль со стороны человека, для поддержания требуемой температуры. Все это сделает автоматика и электроника.
5. Отсутствие шума. Разве что, обогреватели с механическим управлением, могут издавать при включении и отключении термостата негромкий щелчок. Устройства с электронным модулем, работают бесшумно.
6. Электрический конвектор отличается простым принципом работы.
7. КПД калориферов может достигать значения 95%.

• существенный расход электричества;
• отопление больших площадей с помощью только электрических конвекторов неэффективно, в больших комнатах их можно использовать только в качестве дополнительного обогрева;
• устройства с открытыми (игольчатыми) нагревательными элементами могут издавать неприятный запах при включении от сгораемой пыли, осевшей на нагреватель.

Следует помнить, что электрические отопительные агрегаты – это техника, которая не терпит нарушения правил безопасности. Не следует накрывать прибор или сушить на нем белье. Произойдет перегрев аппарата, и, в лучшем случае, сработает защита.

Розетка должна располагаться сбоку агрегата (сверху запрещается) на расстоянии не меньше 100 мм от корпуса.

Только при правильной эксплуатации конвектора может гарантироваться комфортная и уютная атмосфера в доме.